以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
一般に、多くのデジタルカメラでは、図2に示されるように、被写体1の像が、撮影レンズ2を介して撮像素子(イメージャ)3で受光される。ここで得られた像信号のコントラストが、コントラスト判定部4の出力よりマイクロコントローラ(CPU)5にて判定される。そして、このCPU5により、レンズ駆動(LD)制御回路6を介して、撮影レンズ2の位置制御がなされるようになっている。
つまり、レンズ駆動位置によって、図3に示されるようなコントラスト変化が得られる。したがって、このコントラスト変化のピークとなる位置でレンズ駆動制御を停止させれば、被写体1にピント合わせをすることができる。この方式は、コントラストのピークを探すので、一般に山登り方式と称されている。
しかしながら、こうした山登り方式では、撮影レンズ2を移動させる必要があり、例えば、一眼レフカメラのように、種々のレンズを利用して撮影するシステムでは、レンズ駆動時にレンズの特性に応じた複雑な制御が必要となる。したがって、上述した方式とは別の、公知の位相差方式のオートフォーカス(AF)方式(以下、位相差AF方式と記す)が採用されることが多い。
この位相差AF方式は、図4に示されるように、撮影レンズ2の瞳を分割し、異なる光路を通った被写体像をレンズ7a及び7bでモニタし、これが撮影レンズ2のピントが合った状態では、所定の位置関係になることを、センサアレイ8a及び8bを利用して検出するものである。
また、この位相差AF方式は、図5に示されるように、ミラー10が、撮影レンズ2と撮像素子9の間に設けられ、光路が折り曲げられて像がレンズ7、センサアレイ8に導かれるようにする必要がある。それ故、撮影時には上記ミラー10が光路から退避されるように構成されている。
このように、図2に示される山登り方式にも、図4に示される位相差AF方式にも、種々の利点欠点等の特徴を有している。
図1は、この発明の一実施形態に係るカメラのAF光学系の概略的なブロック構成図である。
図1に於いて、被写体13の像は、撮影レンズ14及び反射部材であるミラー(可動ミラー)15によって、撮像素子であるエリアセンサ16に導かれている。このミラー15は、アクチュエータ17によってその位置が15F、15Nと移動自在になっており、光路長変化手段として機能する。そして、上記エリアセンサ16で得られた像は、検出手段としての機能を含むコントラスト判定部18でコントラストの変化が判定される。マイクロコントローラ(CPU)20は、ピント制御手段及び判定手段として、このコントラスト判定部18の判定結果に従って、レンズ駆動部であるレンズ駆動(LD)制御回路21を介して撮影レンズ14の位置を移動制御するものである。
図2に示される山登りAF方式では、撮影レンズ2の位置を移動させて図3のようなコントラスト変化を得たが、この発明ではアクチュエータ17を利用してミラー15の位置を15F、15Nと変化させるようにしている。これにより、光路を変化させて、レンズ繰り込み状態の光路による像Im1と、レンズ繰り出し状態相当の光路による像Im2と、現状のレンズ位置に於ける像Im0とが比較されて、コントラスト判定部18でコントラスト変化が判定される。この判定結果に従って、CPU20により撮影レンズ14を何れの方向に移動させるかが判定され、レンズ駆動制御回路21が制御される。
つまり、CPU20では、図6に示されるようなシーケンスが実行されることによってピント合わせ制御が行われる。
すなわち、先ず、ステップS1にて、初期位置での像Im0が検出される。次いで、ステップS2にて、アクチュエータ17が駆動されて、ミラー15の位置が変更される(15→15F)。そして、ステップS3にて、移動されたミラーの位置で得られる像Im1が検出される。
続いて、ステップS5にて、アクチュエータ17が駆動されて、再度ミラー15の位置が変更される(15N)。そして、ステップS6にて、移動されたミラーの位置で得られる像Im2が検出される。この後、ステップS7にてアクチュエータ17が停止される。
ここで、ステップS8に於いて、上記ステップS1に手検出された像Im0の値が最大(MAX)であるか否かが判定される。像Im0の値が最大でない場合は、像Im1、Im2の何れかのコントラストの方が像Im0の値よりも高いことになる。そのため、ステップS9に移行して、像Im1、Im2の値から撮影レンズ14を繰り込むか繰り出すかの判定が行われる。
すなわち、像Im1の値の方が像Im2の値よりも高ければ、像Im1の検出された位置がコントラスト最大となる。したがって、ステップS10に移行して、レンズ駆動制御回路21が駆動されて撮影レンズ14が繰り込まれる。一方、像Im2の値の方が像Im1の値よりも高ければ、像Im2の検出された位置がコントラスト最大となる。したがって、この場合は、ステップS11に移行して、レンズ駆動制御回路21の駆動制御により、撮影レンズ14が繰り出される。
そして、ステップS10或いはS11の撮影レンズ14の繰り込み或いは繰り出しが終了すると、上記ステップS1へ移行して、上述したシーケンスが繰り返される。
また、上記ステップS8に於いて、像Im0 の値が最もコントラストが高い場合は、大きくはピントがずれていないとして、ステップS12へ移行してピントの微調整が行われる。これは、像Im1、Im2のコントラストの高低の量によって、撮影レンズ14の駆動量が算出されて調整量が決定される。
また、ステップS9での比較結果によって、上記ステップS2に於けるアクチュエータ17の駆動量を切り替えるようにしても良い。このとき、例えば、何れの像もコントラストが低い場合には、駆動量が増加されるようにする。
つまり、この発明では、レンズより軽く小さいミラーの制御によって、コントラスト変化の判定を行うことができる。また、エリアセンサ16としては、撮像素子をそのまま利用してもよく、上述した図2の山登りAF方式のようにイメージャの同じ場所の信号を繰り返し読み出す方式よりも、光路長変化ΔLと像の変化を同期化させ、より高速の読み出しを行うことができるという特徴がある。
つまり、一般的な方法では、図7(a)に示されるように、撮像素子(イメージャ)9の一部分9aのみを利用するので、図8(a)に示されるように、その都度その部分の像信号をリセットしていく必要がある。これに対し、この発明では、図7(b)に示されるように、エリアセンサ16の別の場所16a、16b、16cを利用して、読み出しを行っているので、電荷蓄積制御を図8(b)に示されるように独立して行うことができる。したがって、リセットなく連続した読み出しが可能となる。
以上説明したように、装着されたレンズにかかわらず、高速のピント制御が可能となる。
図9は、このような考え方のAF方式を一眼レフカメラに適用した例を示した図である。
撮影レンズ14と、光軸上でこの撮影レンズ14の後方に配置された第1の撮像素子(イメージャ)22との間には、撮影光路内に挿入、退避可能な反射部材であり、光路長変化手段である回動自在なミラー(メインミラー)15が設けられている。このミラー15は、アクチュエータ23及びCPU20から成る角度制御手段によって、回転軸25を中心に角度が制御されると共に回動自在となっている。また、撮影レンズ14は、CPU20及びレンズ駆動制御回路21によって、その光軸方向に移動可能である。
尚、コントラスト判定部18、CPU20、レンズ駆動制御回路21、アクチュエータ23、ファインダ回路24は、図9(a)にのみ示され、図9(b)及び(c)には示されていないが、これらは図面の煩雑さを避けるために省略されているものであり、実際には、図9(b)及び(c)に於いても図9(a)と同様の構成がなされている。
そして、撮影時には、撮影レンズ14を介した光で撮像素子22上に被写体13の像が結像されることによって撮影が行われるが、それに先立ち、被写体観察時は、図9(a)に示されるように、撮影レンズ14を介して導かれる被写体13の像は、ミラー15の上方に配置された被写体観察用の第2の撮像素子(イメージャ)16に導かれる。
この第2のイメージャ16からは、ファインダ回路24に信号が送られて、撮影者により構図の確認を行うことができるようにされている。このファインダ回路24は、LCDモニタ等の表示系から構成されるものであるが、この表示系も第2のイメージャ16ともども、第1のイメージャ22ほどの解像力は必要ない。むしろ、リアルタイムで撮像結果を伝えるためのスピードが優先された設計となっており、第1のイメージャ22とは異なる特性を有している。
第1のイメージャ22は、いわゆるメガピクセルの高画素数のイメージャで成り、撮像信号が大きいサイズに拡大された写真に耐えられるような設計となっている。この素子をそのまま表示系に用いると、表示モード用に間引き読み出し等が必要となり、特殊な制御によって構成が複雑になることがある。本実施形態では、このような考え方から、第1のイメージャ22と第2のイメージャ16の2種を用意して、ファインダ用の第2のイメージャ16を用いて、その出力を検出手段であるコントラスト判定部18に入力し、この発明の特徴たるコントラストAFを行わせている。
撮影レンズ14からメインミラー15までの距離はL1 であり、また、メインミラー15から2つのイメージャ22及び16までの距離は、共に等しくL2 になるように構成されている。
したがって、図9(a)に示される状態にて、第2のイメージャ16に入射された像のピントが合っていれば、この時の光路は、L1 +L2 の長さである。また、図9(b)に示されるメインミラー15の退避時にも、光路L0 がL1 +L2 となり、撮影用の撮像素子(第1のイメージャ)22上にもピントが合うようになっている。
一眼レフカメラの場合、こうしたメインミラー退避構成があるので、図9(c)に示されるように、メインミラー15を、図9(a)に示される状態から角度θだけ上方に上げた時に、被写体13から第2のイメージャ16に入射される光(矢印)によって、第2のイメージャ16上のdだけ横にシフトした位置に像が導かれる。このシフト量dは、下記(1)式により決定される。
この時、メインミラー15の回転軸25から撮影光軸までの距離hや、メインミラー15の中心から第2のイメージャ16の中心までの距離L
2 に従って、図中のL
3が、下記(2)式により求められる。
また、メインミラー15上の反射された部分から第2のイメージャ16までの距離は、下記(3)式で表される。したがって、図9(a)に示される状態でも、撮影レンズ14から第2のイメージャ16までL
0 だった光路は、図9(c)に示される状態では、下記(4)式で求められるL
01に変化する。
つまり、図9(a)と図9(c)に示される状態のミラー角度切り替えに伴う光路変化及び像入射位置変化により、被写体13に対して、撮影レンズ14のピントが良好か否かが判定可能である。この場合、シフト量dが正の値ならば、平方根内は必ずL3 よりも大きくなるので、L01>L1 となる。
すなわち、この状態では、図9(a)に示される状態よりも、撮影レンズ13から第2のイメージャ16までの光路長が長くなり、より近距離の被写体にピントが合った状態となる。したがって、図9(a)に示される状態でIM0として得られた像のコントラストより、図9(c)に示される状態でIM1として得られた像のコントラストが高くなる場合は、撮影レンズ14が繰り出された状態と等価な状態でコントラストが高くなっているので、被写体13はもっとカメラに近付いていると考えることができる。
つまり、このような像のコントラストのチェックを、メインミラー15のアップまたはダウンの途中で行うことができるので、従来、一眼レフが不得手としていたミラー退避中のピント制御が可能となる。
このようなピント制御を行う撮影動作は、例えば、図10のようなシーケンスで制御されるようにすれば良い。尚、このピント制御は、ピント制御手段及び判定手段であるCPU20により実行される。
すなわち、先ず、ステップS21にて、図9(a)に示されるようなミラーダウン状態でピント合わせが行われる。尚、図9には示されないが、図5のミラー10のようなサブミラーを半透過のメインミラーの後方に設けて位相差AFを利用するようにする。次いで、ステップS22にて、第2のイメージャ16にて像信号IM0が利用されたコントラストC0 の判定が行われる。
次に、ステップS23に移行して、図9(b)に示されるような状態にするべく、ミラー退避用のミラー駆動が開始される。ここで、ステップS24にて、ミラー角度がθになったか否かが判定され(図示されないミラー角度判定手段による)、角度θになるまで上記ステップS23及びS24が繰り返される。
そして、ミラー角度がθになった、すなわち、図9(c)に示されるような状態になったことが検出されたならば、ステップS25に移行して、今度は第2のイメージャ16の中心(IM0入射位置)から、図9(c)に示されるように、シフト量dだけ離れた位置の像信号IM1が検出される。更に、ステップS26では、このIM1よりコントラストが判定されてC1 とされる。
続いて、ステップS27に於いて、この時のコントラストC1 が、上述したステップS21のピント合わせ時のコントラストC0 より大きいか否かが判定される。ここで、上記コントラストC0 の方が大きいと判定されたならば、被写体は動いていて近距離になっているとされる。したがって、ステップS28へ移行して、より近距離側にピントが合わせられるように、レンズ駆動制御回路21を介して撮影レンズ14の繰り出し(ピント位置訂正)が行われる。一方、上記ステップS27にて、コントラストC1 の方が大きいとされた場合は、ステップS28をスキップしてステップS29へ移行する。
次に、ステップS29に於いて、ミラーアップタイミングが検出されたか否かが判定される。ここで、ミラーアップタイミングが検出されると、続くステップS30にて撮影が行われる。この撮影が終わると、ステップS31に移行して、ミラーダウン制御が行われる。
そして、ステップS32に於いて、連続撮影操作が終了するまで、上記ステップS21に移行して、上述したシーケンスが繰り返される。
以上説明したように、本実施形態によれば、メインミラー15のミラーアップの途中でも被写体のコントラスト状態の変化をモニタすることができ、その変化に従ってピント制御を高速で行うことができるので、動いている被写体にも追従することのできる高速のオートフォーカスカメラを提供することができる。
また、図11を参照して後述するように、第2のイメージャ48を、レンズ49及びペンタプリズム28を介して、フォーカシングスクリーン27をモニタする位置に設けてもよい。このように構成することによって、光学ファインダを利用しながら、この発明の特徴たる、メインミラー15による光路長切り替えによるコントラストAFを併用することのできるカメラを提供することができる。
つまり、ミラーダウン時には、ハーフミラーによるメインミラーによって、撮影レンズ14を通った被写体13の像がモニタできると共に、サブミラー32によって折り返された光が位相差AF光学系及びそのセンサ36に導かれ、ピント制御可能となる。
また、ミラーアップ途中では、図9及び図10を参照して説明したようなコントラストAFを併用して、動体に対応したピント合わせが可能となる。
図11は、この発明の一実施形態のカメラに於ける電気系の構成図である。
図11に於いて、このカメラ26は、撮影レンズ14を含む撮影光学系と、メインミラー15と、レンズ駆動制御回路21と、フォーカシングスクリーン27と、ペンタプリズム28と、接眼レンズ29と、サブミラー32と、フィールドレンズ33と、光路屈曲鏡34と、再結像レンズ35と、センサアレイ36と、シャッタ幕38と、第1の撮像素子(イメージャ)22と、A/D変換部39と、画像信号処理部40と、記録媒体部41と、演算制御回路42と、測光光学系43と、ボディ内測光センサ44と、調光部45と、測光部47と、ファィンダ内撮像素子(第2のイメージャ)48及びレンズ49と、フラッシュ発光制御部50と、フラッシュ発光部51及び操作スイッチ53とを有して構成されている。
上記メインミラー15は、上記撮影光学系とシャッタ幕38との間の空間に設けられているミラーである。このメインミラー15は、当該撮影光学系からの入射光束を第1のイメージャ22側またはファインダ光学系(フォーカシングスクリーン27、ペンタプリズム28、接眼レンズ29等によって構成される)側の何れか一方に導くべく、撮影光学系の光軸上から退避する位置と同光軸上に配置される位置との間で移動自在に配設されるものである。
また、上記サブミラー32は、メインミラー15に折り畳み可能に取り付けられている副反射鏡である。このサブミラー32は、メインミラー15が撮影光学系の撮影レンズ14の光軸上に配置されているときに、当該メインミラー15の一部を透過する光束をAF(オートフォーカス)光学系(詳細は後述する)側へと導くものである。
すなわち、サブミラー32は、メインミラー15の背面側、つまり第1のイメージャ22に対向する側の面に対して、その一端部が所定方向に回動自在となるように軸支されており、これにより、サブミラー32の反射面は、上述したメインミラー15の半透過鏡の領域に対向するよう配置される。
そして、メインミラー15が通常位置15bに配置されたときには、撮影レンズ14の中心軸に対して角度略45度だけ傾いた状態で固定される。この状態に於いて、メインミラー15の反射面は、上記ファインダ光学系の側を向くように設定されている。
すなわち、メインミラー15が通常位置15bにある場合、撮影光学系を介して入射された光束は、メインミラー15で反射されてファインダ光学系に導かれる。ファインダ光学系では、入射された光束をフォーカシングスクリーン27に於いて光学像として結像させると共に結像された像がペンタプリズム28に導かれる。
一方、メインミラー15が退避位置15aに配置されたときには、サブミラー32は、メインミラー15に対して略平行となる所定の位置に配置される。これにより、メインミラー15が退避位置15aに移動すると同時に、サブミラー32も撮影光学系の光路上から退避する。この退避動作の途中で光路長も切り替えることを利用して、コントラストAFが行われる。
上記フォーカシングスクリーン27は、上記メインミラー15が撮影光学系の光軸上に配置されたときの当該メインミラー15による反射光束の光路上に配置されている。そして、当該反射光束によって形成される光学像を結像させると共に当該反射光束を透過させるものである。
また、上記ペンタプリズム28は、上記フォーカシングスクリーン27を透過した光束を受けて所定の方向(当該カメラ26の後方側)へと導くと同時に、像の左右を反転させる。更に、上記接眼レンズ29は、ペンタプリズム28による正像を拡大して撮影者の眼30に導くレンズである。
更に、ペンタプリズム28の近傍には、この発明の特徴たるファインダ内撮像素子(第2のイメージャ)48が設けられている。この第2のイメージャ48は、ペンタプリズム28内をにらんでフォーカシングスクリーン27上の像の検出を行うことができるように、レンズ49を介している。このフォーカシングスクリーン27上の像が受光されると、所定の電気信号が測光部47に出力される。ここで、第2のイメージャ48は、図12に示されるように、撮影画面48a内の所定の受光領域48bに於いて測光及びコントラスト検出動作を行い得るように形成されている。
測光部47は、この発明の特徴たるコントラスト信号の出力のみならず、第2のイメージャ48から入力された電気信号に基づいて、測光動作も行い、被写体の明るさを検出する。この測光部47の検出結果に基づいて演算制御回路42は、フラッシュ発光制御部50を制御する。
上記フラッシュ発光部51は、被写体13を含む所望の撮影環境が暗い場合等に補助照明光を発光させるものである。そして、このフラッシュ発光部51の発光用エネルギーのチャージや発光制御は、上記フラッシュ発光制御部50を介して演算制御回路42によって行われる。
サブミラー32の反射光束を受光して視野を分割するフィールドレンズ33を透過した光束の光路は、光路屈曲鏡34によって所定の方向へと折り曲げられる。この光路屈曲鏡34の反射光束の光路上には上記再結像レンズ35が設けられており、当該反射光束を透過させて一対の被写体像を所定の位置に配置されたセンサアレイ36上に再結像させる。
上記センサアレイ36では、再結像レンズ35により形成される一対の被写体像が受光されて、合焦動作に寄与する所定の電気信号が生成される。そして、ここで生成された電気信号が演算制御回路42に出力され、該演算制御回路42にて、所定の合焦処理が行われる。
ここで、この合焦処理は、すでに、図4及び図5で説明したように、一般的に適用されているTTL位相差検出方式でよい。このTTL位相差検出方式について改めて図を参照して説明する。
このTTL位相差方式に於いて、演算制御回路42では、レンズ駆動制御回路21が制御されて撮影光学系が撮影レンズ14の光軸方向に移動されながら、センサアレイ36の出力が監視される。そして、センサアレイ36から出力される一対の被写体像が所定の位置関係になったときに合焦状態であると判定されて、その位置関係になるように撮影レンズ14が制御されて、撮影光学系の駆動が停止される。
上記シャッタ幕38は、上記第1のイメージャ22の受光面側の近傍に配設されているもので、当該イメージャ22の受光面への露出時間を調節するものである。すなわち、第1のイメージャ22は、当該シャッタ幕38が開状態となっている期間のみ撮影光学系からの光束を受光し得るように構成されている。
ここで、シャッタ幕自体の構成は、従来の一眼レフレックス方式のカメラに於いて一般的に利用されているものが適用されている。
このシャッタ幕38の構成について、図13の概略図を参照して簡単に説明する。
図13に示されるように、シャッタ幕38は、先幕38a及び後幕38bの2つの幕部材によって構成されている。通常状態に於いては、先幕38aが第1のイメージャ22の受光面の前面に配置され、当該イメージャ22の受光面は遮蔽された状態にある。
ここで、露出動作が実行されると、先ず、メインミラー15及びサブミラー32が所定の退避位置15aに移動する。この状態で先幕38aが、図示矢印Y1方向に動き出す。続いて所定の時間をおいてから、後幕38bが図示矢印Y2方向(Y1と同じ方向である)に動き出す。したがって、先幕38aと後幕38bとの間には、所定の隙間が生じることになる。この隙間寸法を調節する、すなわち先幕38a及び後幕38bの動き出す時間を調節することにより、第1のイメージャ22への露出時間(すなわちシャッタ速度)を調節することができる。
また、先幕38aの表面には、この先幕38aの表面で反射する光束が標準反射率となるように、図示されない所定のパターンが形成されている。そして、メインミラー25が撮影光学系の光軸上から退避したときに、該撮影光学系を透過した光束であり、先幕38aの表面で反射された反射光束は、測光光学系43で受光される。この測光光学系43を透過した光束は、ボディ内測光センサ44により受光される。調光部45では、ボディ内測光センサ44から測光動作に寄与する所定の電気信号を受けて、調光制御が行われるようになっている。
ここで、ボディ内測光センサ44は、図14に示されるように、その受光面全域が3つに分割された形態の3つの測光領域44a、44b及び44cを有して構成されている。例えば、図15に示されるような構図枠(撮影画面55)が設定され、予備発光方式の調光制御を用いて撮影を行う場合に於いては、図14に示されるボディ内測光センサ44の測光領域44cのみが用いられて測光が行われる。これは、例えば、図15に示される構図のように、太陽等の高輝度被写体が撮影画面55内に含まれている場合に、その高輝度被写体を含めて測光が行われると、測光値に誤差が生じてしまうのを避けるための措置である。
上記調光部45では、ボディ内測光センサ44から出力された電気信号に基づいて、被写体13からの入射光量の測定及び所定の調光制御が行われる。
ここで、従来の一般的なカメラに於けるTTL調光方式の調光制御では、例えば、露出動作中にフィルム表面からの反射光束を受光するようにしているものもある。しかしながら、第1のイメージャ22の表面は、一般的に光の反射に正反射成分が多くなるので、本実施形態のカメラ26に於いては、入射された光束を標準反射率で拡散反射させる先幕38aの表面からの反射光束により測光が行われる。
このような構成のカメラに於いては、光学ファインダで高品位の被写体像をモニタしながら撮影を楽しむことができ、移動する被写体にも高速で応答する快適なオートフォーカス動作が可能となる。
以上説明したように本実施形態によれば、一眼レフカメラの光学系を有効利用して、一眼レフカメラ特有の光路切り替え時のピント情報消失を補うAF手段を併用し、高速のピント合わせを可能としたカメラを提供することができる。
上述した実施形態では、2つの光路長でのコントラスト変化を利用したピント合わせについて説明したが、メインミラーの角度は、連続的に種々調節できるので、コントラスト変化に応じて角度切り替えの数を切り替える等の工夫を行っても良い。
また、一眼レフカメラのみならず、反射部材で光路を折り曲げて撮影レンズと撮像素子を結ぶカメラではこの発明は容易に応用が可能である。
つまり、反射部材の制御により撮像素子上に入射する光の光路と位置を切り替えられるものでは、すべて簡単に応用が可能な技術となっている。
このような構成により、撮影レンズを動かさずに、より軽量小型のミラー等を移動させて高速のスト式のオートフォーカスが提供できる。この方式は実施例に示したように他のAF方式との組み合わせも容易であるという特徴も有する。
13…被写体、14…撮影レンズ、15…メインミラー、16…エリアセンサ(第2のイメージャ)、17、23…アクチュエータ、18…コントラスト判定部、20…マイクロコントローラ(CPU)、21…レンズ駆動(LD)制御回路、22…第1の撮像素子(第1のイメージャ)、24…ファインダ回路、26…カメラ、27…フォーカシングスクリーン、28…ペンタプリズム、29…接眼レンズ、32…サブミラー、36…センサアレイ、38…シャッタ幕、40…画像信号処理部、41…記録媒体部、42…演算制御回路、43…測光光学系、44…ボディ内測光センサ、45…調光部、47…測光部、48…ファィンダ内撮像素子(第2のイメージャ)、50…フラッシュ発光制御部、51…フラッシュ発光部、53…操作スイッチ。